JP3803773B2

JP3803773B2 - 硬質焼結体切削工具

Info

Publication number: JP3803773B2
Application number: JP35687997A
Authority: JP
Inventors: 泰幸金田; 邦洋富田; 哲男中井
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11188510A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に硬質焼結体切削工具に関するものであり、より特定的には、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する焼結体が工具母材に強固にかつ高剛性に接合されてなる硬質焼結体切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細なダイヤモンド粒子を鉄族金属等の結合材を用いて超高圧高温下で焼結して得られるダイヤモンド焼結体は、切削工具、伸線ダイス、ドリルビット耐摩工具の刃先材料として、従来の超硬合金に比べ、格段に優れた耐摩耗性を有している。また、微細な立方晶窒化硼素を種々の結合材を用いて焼結した材料は、高硬度の鉄族金属や鋳鉄の切削に対して優れた性能を示す。
【０００３】
図２は、従来の硬質焼結体工具の断面図である。
硬質焼結体部１は、ダイヤモンド複合焼結体または立方晶窒化硼素複合焼結体で構成され、超硬合金製支持体２に裏打ちされた状態で、一体焼結により作製される。硬質焼結体部１の超硬合金支持体２側を、主にＡｇやＣｕからなるろう材３を介して、工具母材４にろう接することにより、硬質焼結体工具が得られる。
【０００４】
この場合、ろう付け工程において、急速な加熱と冷却がこれら複合焼結体中に加えられるために、条件によっては硬質焼結体部１と超硬合金製支持体２間の接合界面において、これら材料間の熱膨張差に起因する亀裂や割れが発生する場合があった。さらに、切削工具として完成した場合も、焼結体の条件条件によっては、硬質焼結体部１と超硬合金製支持体２の界面の接合強度が不足し、過酷な切削条件下では、切削中に剥離や欠損が発生する場合があり、工具の信頼性の点で問題があった。
【０００５】
このような問題を克服するために、たとえば特開昭６０−８５９４０号公報では、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製支持体との接合界面に、ＴｉやＺｒなどの炭化物・窒化物を形成させることにより、この接合部分の信頼性を向上させることを提案している。しかし、この場合も、結果的には熱膨張差の異なる異種材料を接合した複合焼結体であるために、改善の効果は少なく、問題点を解決することはできなかった。
【０００６】
一方、硬質焼結体部（ダイヤモンド焼結体および立方晶窒化硼素焼結体で形成される）と、超硬合金製支持体との接合界面をなくすために、図３に示すように、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体１を、直接工具母材４に接合させることが考えられている。このような工具の構造は、特開昭５９−１３４６６号公報、特開昭６８−１８７６０３号公報、実公昭６４−４８３９号公報、特開平２−２７４４０号公報、特公平３−１７７９１号公報、特開平７−１２４８０４号公報、特開平９−１０３９０１号公報に開示されている。ここでは、予めダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体１の表面に活性金属層を成形した後に、Ａｇ，Ｃｕを主とするろう材３により工具母材４に接合させるか、あるいはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｔａ、Ａｕ−Ｎｂなど、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの軟質金属に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａなどの活性金属を含む活性ろう材を用いて、直接工具母材４に接合することが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示す従来の硬質焼結体切削工具の場合、ＡｇやＣｕなどの軟質金属からなるろう材３を介して、ダイヤモンド焼結体、あるいは立方晶窒化硼素焼結体が直接工具母材４に接合されているために、過酷な切削条件下ではろう材３の変形による被削材精度の低下や、被削面粗さの悪化、あるいは剛性不足によるびびりの発生、さらには工具刃先の切削熱が、熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体１を介して、直接ろう材３に流れ込むために、ろう材３が流出し、工具に欠損が発生する、などの問題点があった。
【０００８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、硬質焼結体が、割れや亀裂を有することなく、強固かつ高剛性に工具母材に接合されてなる硬質焼結体切削工具を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ダイヤモンドおよび／または立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する焼結体部が、接合層を介して工具母材に直接接合されている硬質焼結体切削工具にかかるものである。上記接合層が、該接合層全体に対して２〜１５重量％の、ＷまたはＭｏの少なくとも一方からなる粒子と、該接合層全体に対して１〜１０重量％の、ＴｉまたはＺｒの少なくとも一方と、ＡｇまたはＣｕの少なくとも一方からなる残部と、不可避不純物と、からなることを特徴とする。
【００１０】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記接合層中の、ＷまたはＭｏの粒子径が、０．５〜３０μｍの範囲内にある。
【００１１】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記残部は、ＡｇおよびＣｕの両者を含み、Ａｇに対するＣｕの重量比率が５〜７０重量％である。
【００１２】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記接合層の融点は７８０℃〜９５０℃である。
【００１３】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記焼結体部の厚みは、０．２５〜１．５ｍｍである。
【００１４】
この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記工具母材は超硬合金からなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する焼結体が工具母材に直接接合され、この焼結体が割れや亀裂を有することなく強固かつ高剛性に接合される接合方法の研究を鋭意行なった。
【００１６】
その結果、図１を参照して、接合層５を、該接合層全体に対して２〜１５重量％の、ＷまたはＭｏの少なくとも一方からなる粒子と、該接合層全体に対して１〜１０重量％の、ＴｉまたはＺｒの少なくとも一方と、ＡｇまたはＣｕの少なくとも一方からなる残部と、不可避不純物とから形成することにより、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する焼結体部１を、割れや亀裂の発生なく強固かつ高剛性に工具母材４に接合できることを見出した。
【００１７】
ここで、接合層の主成分となり得る金属材料はＡｇ、Ｃｕ，Ａｕなど、一般にろう材として用いられる低融点であり、かつ軟質の金属であればどのような金属の組合せでもよい。経済性を考慮に入れた場合、Ａｇ−Ｃｕ合金が好ましい。これによると、Ａｇ−Ｃｕの共晶組成付近では低融点となり、低温度での接合が可能となる。
【００１８】
すなわち、上述のような軟質金属が接合層の主成分となることにより、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と、工具母材との接合時に発生する熱膨張差による歪みを吸収し、焼結体中に発生する割れや亀裂を防止することが可能となる。そして、このような軟質金属による緩衝効果を得るためには、接合される材料間での熱歪みを、可能な限り小さくしておく必要がある。このため、接合材料の融点を引き下げる必要があり、接合材の主成分がＡｇおよびＣｕからなる場合において、Ａｇに対するＣｕの重量比率が、５〜７０重量％の範囲にあれば、共晶組成による融点降下作用が顕著に現われ、好適であることを見出した。そして、接合材がこのような範囲内の組成であれば、接合材の融点は７８０℃〜９５０℃となり、低温での接合を可能とすることを見出した。
【００１９】
一方、このようなＡｇ、Ｃｕなどの軟質金属を直接ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と接合させるためには、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａなどの活性金属の添加が必要不可欠となる。これら活性金属は、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体の表面で、表面エネルギを低下させ、接合層の主成分の濡れ性を向上させる役割を果たす。このような効果を引出すためには、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａなどの活性金属は、接合層中で、１重量％以上必要となる。一方、接合層中にて、活性金属が増加した場合、活性金属による脆い金属間化合物が増加して、逆に接合強度は低下することになる。このため、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａなどの活性金属は、接合層中で１０重量％以下となることが必要となる。
【００２０】
ここで、上記のような組成を持つ軟質金属による接合層では、接合層部分の剛性や、接合強度の面で問題があることは前述のとおりである。発明者は、これらの改善のために鋭意研究を行なった結果、上記軟質金属に、ＷあるいはＭｏを添加することにより、接合層の剛性と強度が飛躍的に改善されることを見出した。ここで添加されるＷとＭｏは粉末の状態で添加されるために、接合層中で、硬質分散粒子としてふるまう。
【００２１】
すなわち、硬質粒子であるＷとＭｏが、軟質金属中で均一に存在することにより、接合層の剛性を高め、また接合層中ての亀裂の伝播を阻止することにより、飛躍的な接合強度の向上が図られることになる。
【００２２】
ここで、硬質分散粒子としては、主成分である軟質金属以上の高融点を持つ金属、またはそれらの炭化物、窒化物、酸化物等が考えられる。このうち、接合層の主成分であるＡｇやＣｕとの濡れ性や、添加されているＴｉ，Ｚｒ，Ｔａなどの活性金属との反応性を考慮した場合、ＷおよびＭｏが最も好適である。すなわち、硬質分散粒子として添加される粒子は、高温となる接合時において、主成分であるＡｇおよびＣｕに溶解や反応せず、かつこれら主成分の液相化や流動性を妨げてはならない。このためには、ＡｇやＣｕに対して実質的に溶解せず、かつ添加される粒子上でのＡｇやＣｕの濡れ性が優れることが求められる。ＷおよびＭｏは、ＡｇやＣｕに対して、実質的に溶解せず、またＡｇやＣｕとの濡れ性に非常に優れており、このような用途に好適であることが見出された。
【００２３】
ここで、前述した接合層の剛性および強度を向上させるためには、ＷあるいはＭｏが接合層中で２重量％以上必要である。また、接合層中でのＷあるいはＭｏの量が、１５重量％を超えた場合、接合体に対するＡｇやＣｕの接触面積が少なくなり、急激に接合強度が低下することになる。このため、添加されるＷあるいはＭｏ粉末は、２〜１５重量％の範囲にあることが必要となる。
【００２４】
一方、このような接合体による接合層の厚みは、通常１０μｍ〜２００μｍ程度の厚みとなる。このため、添加されるＷあるいはＭｏ粉末の粒径が３０μｍを超えた場合、接合層の主成分であるＡｇやＣｕ同士の接触を低下させることになり接合層そのものの強度が、急激に低下することになる。さらに、添加されるＷあるいはＭｏ粉末の粒径が０．５μｍ未満である場合、接合層中でこれら粉末は凝集しやすくなり、それが破壊の起点となり、強度を低下させやすくなることも見出された。このため、添加されるＷあるいはＭｏ粉末の粒径は、０．５〜３０μｍの範囲内にあることが必要である。
【００２５】
ところで、上記のような高剛性の接合層を用いても、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体の厚みが０．２５ｍｍ未満となった場合には、工具刃先に発生した切削熱が、熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体を介して、大量に接合層部分に流れ込むために、接合層部分の温度が上昇し、これの変形や、変形に起因する欠損が発生しやすくなる。このため、接合されるダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、０．２５ｍｍ以上必要であることが見出された。また、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みが１．５ｍｍを超えると、切れ刃の研磨に要する労力が多大になる。このため、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、経済性の観点から１．５ｍｍ以下であることが望ましいことが見出された。
【００２６】
また、硬質焼結体が接合される工具母材としては、超硬合金、鋼、セラミックス等、切削抵抗に耐え得る強度を有する材料であれば、どのような材料でも構わない。接合される硬質焼結体との熱膨張差や、材料強度等を考慮に入れた場合、超硬合金が最も好適である。
【００２７】
【実施例】
実施例１
表１に、接合層中のＷあるいはＭｏの含有量が、接合強度や切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１において、接合材１Ａ〜１Ｄは、いずれもＡｇ、Ｃｕが主成分として用いられており、接合材中のＷの含有量が種々変えられている。
【００３０】
まず、接合材試料を作製するため、表１に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合材１Ａ〜１Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金母材との接合強度の評価を行なうために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手方向の長さが１０ｍｍである棒状の立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製サンプルを作製した。そして、これの断面部分に、上記１Ａ〜１Ｄの接合材を塗布し、真空中、表１の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行なった。なお、そのときの真空度は１×１０^-5ｔｏｒｒであった。その後、１Ａ〜１Ｄにより接合された試料２Ａ〜２Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形状になるように、試料の長手方向の４面に研削加工が施された。この接合部分における剪断強度を評価した結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
試料２Ｄは、接合材中のＷの含有量が多いために、接合に関与するＡｇやＣｕ、あるいはＴｉと被接合材との接触面積が小さくなり、明らかな接合強度の低下が認められた。これに対して、２Ａ〜２Ｃは高い接合強度を有しているが、中でも２Ｂと２Ｃは、含有しているＷが硬質分散粒子として効果があるために、接合層部分の強度が向上し、高い接合強度を有することが明らかとなった。
【００３３】
引続き、切削性能の評価を行なうため、１Ａ〜１Ｄの接合材を用いて立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製母材を接合させて、表３に示されるテスト工具３Ａ〜３Ｄを作製した。なお、立方晶窒化硼素焼結体の厚みは０．７５ｍｍであった。
【００３４】
【表３】

【００３５】
その結果、工具３Ａは接合層部分の剛性が低く、びびりが発生し、これが原因で切削中に工具の欠損が生じた。また、工具３Ｄは接合強度が低いために、切削初期に焼結体が接合部から剥離し、継続切削を行なうことが不可能であった。これに対して、工具３Ｂ，３Ｃは、焼結体の接合強度が高く、かつ接合層の剛性が高いために、切削中に焼結体の剥離や欠損が発生することなく、安定した加工を行なうことが可能であった。
【００３６】
実施例２
表４に、接合層中のＷあるいはＭｏの粒子径が、接合強度に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。
【００３７】
【表４】

【００３８】
表４における接合材４Ａ〜４Ｄは、いずれもＡｇ、Ｃｕが主成分として用いられており、接合材中のＭｏの粒子径が種々変えられている。
【００３９】
接合材試料を作製するため、実施例１と同様に、表４に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合材４Ａ〜４Ｄを得た。ダイヤモンド焼結体と超硬合金製母材との接合強度の評価を行なうために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手方向の長さが１０ｍｍである棒状のダイヤモンド焼結体と超硬合金製サンプルを作製した。そして、これの断面部分に、上記４Ａ〜４Ｄの接合材を塗布し、真空中、表４の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行なった。そのときの真空度は８×１０^-5ｔｏｒｒであった。その後、４Ａ〜ＡＤにより接合された試料５Ａ〜５Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形形状になるように、試料の長手方向の４面に研削加工が施された。この接合部分の接合層の厚みは３０μｍであった。表５に、この接合材試料のせん断強度を評価した結果を示す。
【００４０】
【表５】

【００４１】
試料５Ｄは、接合材中のＭｏ粒子径が大きく、接合層中の主成分であるＡｇやＣｕ同士の接触が低下した結果、接合層そのものの強度が急激に低下し、低いせん断強度を示すことが明らかとなった。また、細かいＭｏ粒子を含む試料５Ａでは、接合層中にＭｏ粒子の凝集部分が観察され、これが破壊の起点となって、低い荷重でせん断されることが明らかとなった。これに対して、５Ｂ、５Ｃでは、硬質分散粒子であるＭｏが、接合層中でのＡｇやＣｕ同士の接触を妨げることがなく、接合層中の亀裂伝播を防ぐために、高いせん断強度を示すことが明らかとなった。
【００４２】
実施例３
表６は、接合層の主成分であるＡｇとＣｕの組成が、接合強度に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。
【００４３】
【表６】

【００４４】
表４における接合材６Ａ〜６Ｄは、いずれもＡｇ、Ｃｕが主成分として用いられており、接合材中のＡｇとＣｕの組成が種々変えられている。
【００４５】
接合材試料を作製するため、実施例１と同様に、表６に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤と混ぜ合わせることによりペースト状の接合材６Ａ〜６Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製母材との接合強度の評価を行なうために、断面が３．５×３．５ｍｍの四角形形状を有し、長手方向の長さが８ｍｍである棒状のダイヤモンド焼結体と超硬合金製サンプルを作製した。そして、これの断面部分に、上記６ａ〜６ｄの接合材を塗布し、Ａｒ雰囲気中、表６の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行なった。その後、６Ａ〜６Ｄにより接合された試料７Ａ〜７Ｄは、断面積が３×３ｍｍの四角形形状になるように、試料の長手方向４面に研削加工が施された。研削加工実施後にこれらサンプルの接合界面を観察した結果、いずれのサンプルにも亀裂や割れは観察されなかった。表７に、この接合材試料のせん断強度を評価した結果を示す。
【００４６】
【表７】

【００４７】
試料７Ｄは、接合時には亀裂や割れは観察されなかったものの、接合温度が高いために、立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製母材との接合界面付近に、大きな熱歪みが発生した。その結果、これが原因で、せん断強度測定時に立方晶窒化硼素焼結体界面が破壊して、低いせん断強度となった。これに対して、低い温度で接合された試料７Ａ〜７Ｃは熱歪みの発生が少なく、高いせん断強度を示すことが明らかとなった。
【００４８】
実施例４
表８は、接合される硬質焼結体の厚みが、切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された種々の切削工具の例を示している。
【００４９】
【表８】

【００５０】
すなわち、表８における切削工具８Ａ〜８Ｄは、実施例１と同様の方法により、表８に記載された接合材により立方晶窒化硼素焼結体が剛性の工具母材上に接合され、工具が作製された、これが、表９に示す条件にて切削評価が行なわれた。
【００５１】
【表９】

【００５２】
その結果、工具９Ａは立方晶窒化硼素焼結体の厚みが薄いために、刃先に発生した切削熱が大量に接合層部分に流入するために、接合層部分が軟化し、接合強度の低下を招き、これが原因で切削中に工具に欠損が発生した。これに対して、９Ｂ〜９Ｄは立方晶窒化硼素焼結体の厚みが厚いために、刃先で発生した切削熱が分散・放熱されるために、接合層部分の軟化が発生せず、高い接合強度が維持されているために、安定した加工が可能であることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る硬質焼結体切削工具の断面図である。
【図２】硬質焼結体切削工具の第１の従来例の断面図である。
【図３】硬質焼結体切削工具の第２の従来例の断面図である。
【符号の説明】
１硬質焼結体部
４工具母材
５接合層

Claims

ダイヤモンドおよび／または立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する焼結体部が、接合層を介して工具母材に直接接合されている硬質焼結体切削工具において、
前記接合層が、
該接合層全体に対して２〜１５重量％の、ＷまたはＭｏの少なくとも一方からなる粒子と、
該接合層全体に対して１〜１０重量％の、ＴｉまたはＺｒの少なくとも一方と、
ＡｇまたはＣｕの少なくとも一方からなる残部と、
不可避不純物と、からなることを特徴とする硬質焼結体切削工具。
前記接合層中のＷまたはＭｏの粒子径が、０．５〜３０μｍの範囲内である、請求項１に記載の硬質焼結体切削工具。
前記残部はＡｇおよびＣｕの両者を含み、
Ａｇに対するＣｕの重量比率が５〜７０重量％である請求項１に記載の硬質焼結体切削工具。
前記接合層の融点が７８０℃〜９５０℃である請求項１に記載の硬質焼結体切削工具。
前記焼結体部の厚みが０．２５〜１．５ｍｍである請求項１に記載の硬質焼結体切削工具。
前記工具母材が超硬合金からなる、請求項１に記載の硬質焼結体切削工具。